CN101156119A - 工业过程控制系统中的诊断 - Google Patents
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Abstract
一种用于诊断工业过程控制或监控系统的操作的设备,包括被配置为接收与过程信号有关的输入的输入端。第一统计参数模块(100)提供与过程信号的统计参数有关的第一统计参数输出。滤波器(104)提供与过程信号的滤波值有关的滤波器输出(106)。第二统计参数模块(100)提供与滤波器输出(106)的统计参数有关的第二统计参数输出。诊断模块基于第一和第二统计参数而诊断工业过程的操作。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程控制和监控系统。更具体地,本发明涉及诊断及诊断系统。
背景技术
过程控制回路在工业中用于控制例如炼油等过程操作。变送器(transmitter)是该回路的典型部分,并放置在现场以测量并发送过程变量,例如压力、流量或温度,以控制室内装置。例如阀控制器等控制器也是过程控制回路的一部分,其基于在控制回路上接收到的或在内部产生的控制信号,控制阀的位置。其他控制器控制例如电机或螺线管。控制室装置也是过程控制回路的一部分,以使控制室中的操作员或计算机能够基于从位于现场的变送器接收到的过程变量,监控该过程,并通过向适当的控制设备发送控制信号,以作为响应地控制该过程。可作为控制回路的一部分的另一过程设备是便携式发信机(communicator),其能够监控并发送过程控制回路上的过程信号。典型地,这些过程信号用于配置形成该回路的设备。
一直以来,人们都希望对这种工业控制和监控系统执行诊断。优选地,该诊断在组件最终失灵之前识别出该组件可能发生故障,从而能够执行预防性的维护。
发明内容
一种用于诊断工业过程控制或监控系统的操作的设备,包括被配置为接收与过程信号有关的输入的输入端。第一统计参数模块提供与过程信号的统计参数有关的第一统计参数输出。滤波器提供与过程信号的滤波值有关的滤波器输出。第二统计参数模块提供与滤波器输出的统计参数有关的第二统计参数输出。诊断模块基于第一和第二统计参数而诊断工业过程的操作。还提供了一种基于差分滤波器的特定滤波器实施方式的示例。
附图说明
图1是与本发明一并使用的工业过程控制或监控系统的示意图。
图2是统计参数模块的简化示意图。
图3是包括两种统计参数模块和滤波器的模块的简化示意图。
图4是示出图3滤波器的框图。
图5是示出图4滤波器的框图。
图6是更加详细地示出图1过程设备的框图。
图7是示出用于诊断图1过程控制或监控系统的操作的设备操作的逻辑框图。
图8是示出FIR滤波器的归一化幅度与频率的关系的频率响应图。
图9是差分滤波器的幅度与频率的关系的图表。
图10是过程压力信号的图表,该信号包括伴随有过程噪声的趋势。
图11是示出基于图10所示输入信号的滤波后输出的差与时间的关系的图表。
具体实施方式
如背景技术部分中所述,一直以来都期望在工业控制和监控系统中执行诊断。该领域中的开拓工作在如下美国专利中有所描述,将其全体在此引入作为参考:美国专利No.6,449,574;6,772,036;6,047,220;5,746,511;5,828,567;5,665,899;6,017,143;6,119,047;5,956,663;6,370,448;6,519,546;6,594,603;6,556,145;6,356,191;6,601,005;6,397,114;6,505,517;6,701,274;6,754,601;6,434,504;6,654,697;6,539,267;6,532,392;6,611,775;6,615,149;6,907,383;6,629,059;6,859,755;以及6,889,166。
本发明包括如下认识:特定的诊断应用需要信号滤波,以提供改进的诊断。提供了一种模块(modular)滤波结构以及滤波器算法。
图1是示出过程控制系统2的示例的图,该系统2包括承载过程流体的过程管道4和承载回路电流I的两线(two wire)过程控制回路6。变送器8、连接至回路中的最终控制元件(例如致动器、阀、泵、电机或螺线管)的控制器10、发信机12以及控制室14是过程控制回路6的所有组成部分。可以理解的是,回路6以一种配置而示出,而且可以使用任何适当的过程控制回路,例如4-20mA回路,2、3或4线回路、多跳(multi-drop)回路以及根据HART、Foundation FieldbusTM或包括无线技术的其他数字或模拟通信协议而操作的回路。在操作中,变送器8使用传感器16感测例如流量的过程变量,并通过回路6发送感测到的过程变量。过程变量可以由控制器/阀致动器10、发信机12和/或控制室装置14来接收。所示的控制器10连接至阀18,并能够通过调整阀18并由此改变管道4中的流量而控制过程。控制器10通过回路6接收例如来自控制室14、变送器8或发信机12的控制输入,并作为响应来调整阀18。在另一种配置中,控制器10基于通过回路6接收到的过程信号,在内部产生控制信号。发信机12可以是图1所示的便携式发信机,或可以是永久性安装的过程单元,其监控过程并执行计算。过程控制设备包括例如图1所示的变送器8(例如从Rosemouont Inc.可获得的3051S变送器)、控制器10、发信机12和控制室14。另一类型的过程设备是PC、可编程逻辑单元(PLC)或使用适当的I/O电路连接至回路的其他计算机,以允许监控、管理、和/或在回路上进行发送。
在一个方面,本发明提供了如下用途的一组技术:通过各种统计和数字信号处理算法来处理现场数据,并提供处理后的数据以用于后续的诊断操作。例如,处理后的数据可以用于诊断,以便向现场设备和主机系统提供警报和警告。这些技术可以与任意类型的过程控制回路一并使用。其不限于这里所述的例如根据HART、FoundationFieldbusTM、Profibus或其他协议的操作的回路。
在现场设备中执行统计和数字信号处理提供了如下能力:在对传感器数据进行任何测量和控制相关的修改之前,对原始数据测量进行操作。因此,在设备内计算的特征(signature)是安装了该设备的过程中对系统(例如机械装置)情况的更好的指示。典型地,工业过程控制或监控系统中使用的通信系统无法以足够的速度操作,来在整个工厂范围上提供原始数据。换句话说,典型地,由于通信协议的带宽限制,不能把过程控制或监控系统中收集到的所有原始数据发送至其他现场设备或控制室。此外,即使该发送是可能的,向网络(过程控制回路)加载过量的原始数据传送可能对依赖于网络以进行测量和控制的其他任务造成不利影响。
本发明使用图2所示的基本统计处理构建块100。图2是示出可提供任意数目的统计功能的统计参数模块100的框图。在图2的实施例中,统计参数模块100接收输入数据流,该输入数据流可以包括例如来自过程变量传感器的数字化数据。统计参数模块100提供输入数据的一个或更多个统计参数。例如,统计参数模块100可以提供最小或最大值、极差、数据的中值、数据的RMS(均方根)值和/或数据的标准差。如这里所使用,“统计参数”包括该数据的任何统计参数,包括最小值、最大值、极差、中值、RMS、标准差、Q25、Q50、Q75和其他。
图3是示出增强的统计参数模块102的框图,其包括图2所示的统计参数模块100。模块102接收原始数据并提供通过其自身的至少两条数据路径。一条数据路径向统计参数模块100直接提供原始数据,该模块100提供与原始数据的统计参数有关的输出。第二条路径向预处理块104提供原始数据。预处理块104能够向原始数据流施加滤波或修整(trimming)处理。预处理后的数据106被提供给第二统计参数模块100,该模块100提供与预处理后的原始数据的统计参数有关的输出。可以根据需要来执行预处理。预处理的一个示例包括修整原始数据,这可以用于消除数据中的尖峰值、离群值,或消除其他数据坏点,从而使统计参数模块100所确定的统计参数不会发生偏斜。所述修整可以根据任意适合的技术来进行,包括基于对特定数据点(例如落在数据的上下百分比之外的数据点)进行排序和去除的技术,以及使用基于标准差的阈值、加权移动平均值等的技术。可以把修整后的数据从数据序列中去除。在另一个示例中,可以使用内插技术来取代修整后的数据。
图4是滤波和修整信号预处理块104的框图。块104提供可高度配置的滤波器,其中原始数据输入可以被提供至定制(customized)滤波器120或通过标准滤波器122。定制滤波器包括:可选的预滤波块124和/或后滤波修整块124,用于如上文所述地对数据流进行修整;以及根据需要而选择的定制滤波器126。标准滤波器122包括可选的预修整和后修整块124、以及标准化滤波块126。标准滤波块126可以包括多个不同的可选择的标准化滤波器,这些是可以根据需要而选择的。在图5中的示例中,标准化滤波器126包括可根据需要进行选择的4种滤波(无滤波、低通滤波、高通滤波和带通滤波)以及关(off)位置。
在上文的讨论中,滤波和修整功能可以采用数字电路实现,例如在数字信号处理器或微处理器中实现。使用图3中提出的配置,能够实现可高度配置的诊断系统。在一个实施例中,把原始数据流的统计参数与预处理后的数据流的统计参数进行比较。如果比较结果落在可接受范围之外,则可以提供指示过程控制系统的诊断状况的诊断输出状况。
图1中所示的过程设备8、10、12或14中的任意设备可以包括根据本发明的诊断电路。图6是形成回路6的一部分的过程设备40的框图。设备40一般性地示出,而且可以包括任何过程设备,例如变送器8、控制器10、发信机12或控制室装置14。例如,控制室装置14可以包括以PLC实现的DCS系统,且控制器10还可以包括“智能”电机和泵。过程设备40包括I/O电路42,该I/O电路42在端子44处耦合至回路6。I/O电路具有本领域中已知的预先选定的输入和输出阻抗,以方便与设备40进行适当的通信。设备40包括耦合至I/O电路42的微处理器46、耦合至微处理器46的存储器48以及耦合至微处理器46的时钟50。微处理器46接收过程信号输入52。块输入意在表示任何过程信号的输入,而且如上文所述,过程信号输入可以是过程变量或控制信号,而且可以使用I/O电路42从回路6接收,或可以在现场设备40的内部产生。所示的现场设备40具有传感器输入通道54和控制通道56。典型地,变送器(例如变送器8)排他性地包括传感器输入通道54,而例如控制器10的控制器排他性地包括控制通道56。回路6上的其他设备(例如发信机12和控制室装置14)可能不包括通道54和56。可以理解的是,设备40可以包含多个通道,以适当地监控多个过程变量和/或控制多个控制元件。
传感器输入通道54包括传感器16,传感器16感测过程变量并向放大器58提供传感器输出,放大器58具有由模数转换器60数字化的输出。通道54典型地用于例如变送器8的变送器中。补偿电路62对数字化信号进行补偿,并向微处理器46提供数字化的过程变量信号。在一个实施例中,通道54包括接收诊断信号的诊断通道。
当过程设备40以例如控制器8等控制器而操作时,设备40包括具有控制元件18(例如阀)的控制通道。控制元件18通过数模转换器64、放大器66和致动器68耦合至微处理器46。数模转换器64对微处理器46输出的命令进行数字化,并由放大器66放大该命令。致动器68基于放大器66的输出而控制控制元件18。在一个实施例中,致动器68直接耦合至回路6,并响应于流过回路6的电流I,控制加压气体源(未示出),以便对控制元件18进行定位。在一个实施例中,控制器10包括用于控制控制元件的控制通道56,而且还包括提供诊断信号的传感器输入通道54,该诊断信号例如是阀杆位置、力、扭矩、致动器压力、加压气体源的压力等。
在一个实施例中,I/O电路42使用从回路6接收到的电能,提供用于对过程设备40中其他电路完全进行供电的电能输出。典型地,例如变送器8等现场设备或控制器10的电能来自回路6,而发信机或控制室具有分离的电源。如上所述,过程信号输入52向微处理器46提供过程信号。过程信号可以是来自传感器16的过程变量、提供给控制元件18的控制输出、由传感器16感测到的诊断信号,或通过回路6接收到的控制信号、过程变量或诊断信号,或由例如另一个I/O通道等其他装置所接收或产生的过程信号。
用户I/O电路76还连接至微处理器46,并提供设备40与用户之间的通信。典型地,用户I/O电路76包括用于输出的显示器和音频装置,以及用于进行输入的小键盘。典型地,发信机12和控制室14包括I/O电路76,I/O电路76允许用户监控和输入过程信号,例如过程变量、控制信号(设置点、校准值、警报、警报条件等)。用户还可以使用发信机12或控制器14中的电路76,通过回路6向变送器8和控制器10发送并接收该过程信号。此外,该电路可以直接实现在变送器8、控制器10或任何其他过程设备40中。
微处理器46根据存储器48中存储的指令而进行操作。存储器48还包含可选的训练值78、规则80以及灵敏度参数82。灵敏度参数82和训练值78的组合提供了额定值79。图7是示出设备40的逻辑实现的框图83。如上文所述,逻辑块84接收过程信号,并计算该过程信号的统计参数。块84提供原始过程信号的统计参数输出88,并提供预处理后的过程信号的统计参数输出90。例如,这些统计参数包括标准差、中值、样本方差、均方根(RMS)、极差(ΔR)、变化率(ROC)以及过程信号的偏斜。可以使用如下等式来确定这些参数:
ΔR=xMAX-xMIN 方程6
其中,N是采样周期中的数据点的总数,xi和xi-1是过程信号的两个连续值,而T是这两个值之间的时间间隔。此外,xMAX和xMIN分别为采样或训练时段上过程信号的最大值和最小值。这些统计参数是单独计算的,或以任意组合而计算的。可以理解的是,本发明包括具有这里明确提出的这些参数的任意统计参数。所计算的统计参数由规则计算逻辑块86接收,规则计算逻辑块86根据存储器48中存储的规则80而操作。块86提供诊断模块。块86根据规则80和灵敏度参数82对参数88和90进行比较。规则块86还可以从存储器48接收可选的训练值78。如果这样实现,则训练值是原始和/或预处理后的过程信号的额定或(即典型)统计参数值,并包括逻辑块84中使用的相同的统计参数(标准差、中值、样本方差、均方根(RMS)、极差和变化率等)。训练值可以由制造商来提供,并通过在回路6上对设备40进行定址而周期性地更新,或可以是在常规的过程操作期间学习得到的。
规则计算块86从存储器48接收灵敏度参数82以及统计参数88和90。块86提供多种不同规则的示例。每一个灵敏度参数82提供由适当的规则80确定的、原始数据88的统计参数和预处理后的数据90的统计参数之间的可接受的范围或关系。由于灵敏度参数82可以由制造商来设置,在通过回路6接收或使用输入电路76而输入,所以可以针对特定的应用来调整灵敏度参数。例如,在需要高精度的过程控制应用中,灵敏度参数设置为仅允许过程信号相对于预处理后的过程信号的统计参数发生较小变化。灵敏度参数的使用允许基于特定的过程和用户的需求而控制由诊断电路86执行的诊断和事件检测决策。基于应用、数据和规则而确定具体的诊断输出。示例包括对过程中的尖峰值、漂移、偏置、噪声、阻塞(stuck)或循环状况的识别。可以理解的是,诊断输出可能与工业过程自身有关,或与用于监控和/或控制工业过程的现场设备(例如变送器和控制器)有关。
尽管这里提出的各种功能可以通过使用任何适当的滤波器来实现,然而在一种配置中,提供如下所述的特定滤波器。这个特定滤波器可用于任意配置,而且不限于这里提出的特定结构。在一种配置中,提供滤波器以改进给定信号中的中长期变化,并隔离短期变化。信号中的短期变化有时被称作“过程噪声”。隔离信号中的过程噪声的一种标准技术是,以软件的形式实现数字高通滤波器。该滤波器可以包括IIR或FIR型滤波器。阶数为n的典型FIR滤波器可以按照如下来实现:
其中y是滤波值,x是当前和先前的测量,xt-i是当前/先前测量,而ai是滤波系数。该滤波器可以设计为把特定的频率响应标准与需要的滤波转换函数进行匹配。
例如,一种现有的滤波器用于识别堵塞(plugged)的线路状况,并利用使用等式8中提出的转换函数的16阶FIR滤波器。该滤波器的配置在图8中所示。在图8中,频率被归一化,所以1等于采样率的一半,即11Hz。因此,图8中所示的滤波器将阻止从DC至大约1.1Hz的所有信号部分,并使从3.3Hz到11Hz的分量通过。过渡带是从1.1Hz至3.3Hz。该滤波器的主要目的是去除信号中的瞬变,以便能够计算其他统计参数,例如流动噪声的标准差。然而,该滤波器不能保证去除所有的瞬变,这是因为某些瞬变具有更高频率的分量。此外,过渡带不能够变得更高,这是因为这可能会与瞬变一起滤去某些过程噪声。换句话说,滤波器要么使某些瞬变通过,要么滤出某些流动噪声。另外,由于DC增益不为零,所以滤波后的信号的中值无法达到零,而会具有偏移值。这也是不希望的。
本发明的滤波器可预先应用于测量序列,以估计信号中的短期变化。该滤波器能够以一阶滤波器而实现,并仅需要在每个测量点进行一次减法,而上文讨论的16阶FIR滤波器需要17次乘法和16次加法。本发明的滤波器能够去除趋势(trend)和瞬变并隔离过程噪声。该滤波器以差分滤波器而实现。一阶差分滤波器被定义为:
yt=xt-xt-1 方程9
其中,y是输出信号,xt是输入信号的当前值,而xt-1是输入信号的先前值。图9是该滤波器的幅度与频率的关系的图表。滤波器连续地提升较高的频率值,并以类似的方式连续地降低较低的频率值。由于典型过程信号中的趋势和瞬变的频率内容是未知的,所以方程9的滤波器针对信号中的所有趋势提供需要的响应。图10是包括信号趋势和某些压力噪声的压力信号的图表。当方程9的滤波器应用于图10的信号时,所产生的信号在图11中示出,图11是差与时间的关系的图表。如图11所示,差分滤波器非常适于提供用于后续诊断中的过程噪声信号。可以对滤波器的通带增益进行缩放,以根据需要而对工程单元或其他标准进行匹配。
如这里所使用,过程变量的含义是描述过程情况的任意变量,例如压力、流量、温度、产品等级(product level)、pH、浊度、振动、位置、电机电流、任何其他的过程特性等。控制信号的含义是用于控制过程的任意信号(除了过程变量之外)。例如,控制信号的含义是需要的过程变量值(即设置点),例如需要的温度、压力、流量、产品等级、pH或浊度等,控制信号通过控制器来调整或用于控制过程。另外,控制信号的含义是校准值、警报、警报条件、提供给控制元件的信号(例如提供给阀致动器的阀位置信号)、提供给加热元件的能量级别、螺线管开/关信号等,或与过程控制有关的任何其他信号。这里所用的诊断信号包括与过程控制回路中的设备和元件的操作有关的信息,但是不包括过程变量或控制信号。例如,诊断信号包括阀杆位置、所施加的扭矩或力、致动器压力、用于致动阀的加压气体的压力、电压、电流、功率、电阻、电容、电感、设备温度、静态阻力、摩擦力、全开和全关位置、移动、频率、幅度、频谱和频谱分量、硬度、电场或磁场强度、持续时间、强度、运动、电机反电磁场(back emf)、电机电流、与回路有关的参数(例如控制回路电阻、电压或电流),或可在系统中监控或测量的任意其他参数。此外,过程信号的含义是与过程或过程中的元件有关的任何信号,例如过程变量、控制信号或诊断信号。过程设备包括形成过程控制回路或耦合至过程控制回路的任意设备,并用于过程的控制或监控。
尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述,本领域的技术人员可以理解,在不背离本发明的精神和范围的前提下,可以在形式和细节上进行改变。这里描述的各种功能块和电路能够以数字或模拟电路而实现。各种功能块和电路可以共享组件,并可以在相同的电路中部分地或全部实现。例如,可以采用数字处理电路、基于存储器中存储的编程指令来实现多种功能。规则块86提供了一种示例诊断模块,其被配置为基于第一和第二统计参数而诊断工业过程的操作,然而,本发明可以用于其他诊断模块,而且不限于这里所讨论的诊断模块。如这里所使用,工业过程控制器监控系统的诊断操作包括对现场设备之外的工业过程的诊断操作以及现场设备之内的工业过程的诊断操作。例如,所述诊断可以包括识别过程设备中劣化的元件或堵塞线路的出现,或用于把过程设备耦合至工业过程。可以使用以任意适当的技术而接收到的参数来更新现场中的定制滤波器。本发明可应用于包括多变量应用的其他配置。例如,现场设备可以包括多个传感器,其中对多个测量数据流执行上文所述的所有数据处理。在另一种示例配置中,包括单个传感器的现场设备还从其他现场设备接收过程数据,用于对多个测量进行诊断。
Claims (31)
1.一种用于诊断工业过程控制或监控系统的操作的设备,包括:
输入端,被配置为接收与过程信号有关的输入;
第一统计参数模块,被配置为提供与所述过程信号的统计参数有关的第一统计参数输出;
滤波器,被配置为提供与所述过程信号的滤波值有关的滤波器输出;
第二统计参数模块,被配置为提供与所述滤波器输出的统计参数有关的第二统计参数输出;以及
诊断模块,被配置为基于第一和第二统计参数,诊断工业过程的操作。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器被配置为对来自输入数据的数据进行修整。
3.根据权利要求2所述的设备,其中,所述滤波器被配置为去除所述数据中的离群值。
4.根据权利要求2所述的设备,其中,所述滤波器被配置为基于对所述数据与移动平均值的比较而去除数据。
5.根据权利要求2所述的设备,其中,所述滤波器被配置为去除所述数据中的数据尖峰值。
6.根据权利要求1所述的设备,其中,第一和第二统计参数选自包括如下统计参数的组:最小值、最大值、极差、中值、均方根和标准差。
7.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器包括低通滤波器。
8.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器包括带通滤波器。
9.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器包括高通滤波器。
10.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器包括定制滤波器。
11.根据权利要求10所述的设备,其中,所述定制滤波器是基于接收到的参数的。
12.根据权利要求1所述的设备,包括:第二输入端,被配置为接收与第二过程信号有关的第二输入;其中,所述诊断模块还基于第二过程信号,诊断工业过程的操作。
13.根据权利要求1所述的设备,其中,所述诊断模块被配置为还基于规则,诊断工业过程的操作。
14.根据权利要求1所述的设备,其中,所述诊断模块被配置为还基于灵敏度参数,诊断工业过程的操作。
15.根据权利要求1所述的设备,包括耦合至过程控制回路的输入/输出连接。
16.根据权利要求15所述的设备,其中,从所述过程控制回路接收针对所述设备的电能。
17.根据权利要求1所述的设备,包括:传感器,被配置为提供与在两线过程控制回路上感测到的过程变量有关的输出。
18.根据权利要求1所述的设备,包括:控制元件,被配置为控制过程变量;以及输入端,被配置为接收来自两线过程控制回路的控制信号。
19.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器包括多个可选择的滤波器功能。
20.根据权利要求1所述的设备,其中,所述滤波器包括差分滤波器。
21.一种用于诊断工业过程或监控系统的操作的方法,包括:
接收与过程信号有关的输入;
计算与所述过程信号的统计参数有关的第一统计参数;
对过程变量信号进行滤波,以提供所述过程信号的滤波值;
基于所述过程信号的滤波值,计算第二统计参数;以及
基于第一统计参数和第二统计参数,诊断工业过程的操作。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,所述滤波器被配置为对来自输入数据的数据进行修整。
23.根据权利要求22所述的方法,其中,所述滤波器被配置为去除所述数据中的离群值。
24.根据权利要求22所述的方法,其中,所述滤波器被配置为基于对所述数据与移动平均值的比较而去除数据。
25.根据权利要求22所述的方法,其中,所述滤波器被配置为去除所述数据中的数据尖峰值。
26.根据权利要求21所述的方法,其中,第一和第二统计参数选自包括统计参数的组:最小值、最大值、极差、中值、均方根和标准差。
27.根据权利要求21所述的方法,其中,所述滤波器选自包括低通、高通和带通滤波器的滤波器的组。
28.根据权利要求21所述的方法,包括从具有多个滤波器功能的滤波器模块中选择滤波器功能。
29.根据权利要求20所述的方法,其中,滤波包括应用差分滤波器。
30.一种用于诊断工业过程控制或监控系统的操作的设备,包括:
输入端,被配置为接收与过程信号有关的输入;
差分滤波器,被配置为基于当前输入值和先前输入值,提供差分输出;
诊断模块,被配置为基于所述差分滤波器的输出,诊断工业过程的操作。
31.根据权利要求30所述的设备,其中,所述差分滤波器包括一阶差分滤波器。
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